寻常日子

上山就是上山 砍柴就是砍柴

搞定can

CAN 的一些特点

can 总线：控制器局域网总线

总线特征

  • 差分信号线 抗干扰能力强
  • 高速 CAN（ISO11898）：125k~1Mbps 传输距离<40m
  • 低速 CAN（ISO11519）：10k~125kbps 传输距离<1km
  • 异步通信 无需时钟线 通信速率由设备各自约定
  • 半双工，可挂载多设备，多设备同时发送数据时通过仲裁判断先后顺序
  • 11位/29位报文ID，用于区分消息功能，同时决定优先级
  • 可配置1~8字节的有效载荷
  • 可实现广播式和请求式两种传输方式
  • 应答、CRC校验、位填充、位同步、错误处理等特性

硬件电路

  • 每个设备通过CAN收发器挂载在CAN总线网络上
  • CAN控制器引出的TX和RX与CAN收发器相连，CAN收发器引出的CAN_H和CAN_L分别与总线的CAN_H和CAN_L相连
  • 高速CAN使用闭环网络，CAN_H和CAN_L两端添加120Ω的终端电阻
  • 低速CAN使用开环网络，CAN_H和CAN_L其中一端添加2.2kΩ的终端电阻
    image.png

1.先看看它们各自的结构

左图中，CAN_H和 CAN_L是一对"双向线"，总线两端各接了 1 个 120 Ω 的电阻，相当于给线路一个收尾固定，形成 闭环 结构
右图中，CAN_H 线接 2.2kΩ 电阻连到电源、CAN_L 线接 2.2kΩ 电阻连到地，总线两端没有 120Ω 的闭环电阻，是 “开环拉拽” 的结构。

2.各自的优缺点

闭环:

  • 防止信号反射 如果总线两端不接电阻 信号传到末端会像水流撞到墙一样反射回来 和原信号叠加后会变乱 在高速CAN中 双绞线的特征阻抗大约是120欧姆 在两端各接一个120欧姆电阻 能把信号吸收掉 避免反射
  • 成本较高 布线严格 必须使用双绞线 但是若总线断裂 整个网络瘫痪
  • 通信速度高 但是距离短

开环:

  • 抗干扰能力弱 通信速度低 但是距离长
  • 成本较低 布线灵活 允许一根线断掉 系统仍然能运行

电平标准

  • 高速CAN规定：

    电压差为0V时表示逻辑1（隐性电平）
电压差为2V时表示逻辑0（显性电平）

  • 低速CAN规定：

    电压差为-1.5V时表示逻辑1（隐性电平）
电压差为3V时表示逻辑0（显性电平）

总线帧格式

CAN 协议规定了以下五种类型的帧

帧类型用途
数据帧发送设备主动发送数据（广播式）
遥控帧接收设备主动请求数据（请求式）
错误帧某个设备检测出错误时向其他设备通知错误
过载帧接收设备通知其尚未做好接收准备
帧间隔用于将数据帧及遥控帧与前面的帧分离开

数据帧

image.png

简单说一下 这里精妙绝伦的设计

  • 由于仲裁的时候是先比较 ID 后比较 RTR 所以在扩展帧的时候 RTR 被移到了 18 位扩展 ID 的后面
  • 这里这个 SRR (Substitute Remote Request Bit)位通用解释是用于替代远程请求位 恒为隐性电平 但是正是这个设计保证标准数据帧的优先级高于扩展数据帧
  • 同理 RTR 位 保证了数据帧的优先级高于遥控帧

遥控帧

遥控帧无数据段 RTR 为隐性电平 1 其他与数据部分一致
image.png

错误帧

总线上所有设备都会监督总线的数据，一旦发现“位错误”或“填充错误”或“CRC错误”或“格式错误”或“应答错误” ，这些设备便会发出错误帧来破坏数据，同时终止当前的发送设备
image.png

过载帧

当接收方收到大量数据而无法处理时，其可以发出过载帧，延缓发送方的数据发送，以平衡总线负载，避免数据丢失
image.png

帧间隔

将数据帧和遥控帧与前面的帧分离开
image.png

位填充

位填充规则：发送方每发送5个相同电平后，自动追加一个相反电平的填充位，接收方检测到填充位时，会自动移除填充位，恢复原始数据
例如：

      即将发送：    100000110       10000011110    0111111111110
      实际发送：    1000001110       1000001111100    011111011111010
      实际接收：    1000001110       1000001111100    011111011111010
      移除填充后： 100000110       10000011110    0111111111110

位填充作用：

  • 增加波形的定时信息，利于接收方执行“再同步”，防止波形长时间无变化，导致接收方不能精确掌握数据采样时机
  • 将正常数据流与“错误帧”和“过载帧”区分开，标志“错误帧”和“过载帧”的特异性
  • 保持CAN总线在发送正常数据流时的活跃状态，防止被误认为总线空闲

三、位时序

CAN总线对每一个数据位的时长进行了更细的划分，分为同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段1（PBS1）和相位缓冲段2（PBS2），每个段又由若干个最小时间单位（Tq）构成
image.png

硬同步

  • 每个设备都有一个位时序计时周期，当某个设备（发送方）率先发送报文，其他所有设备（接收方）收到SOF的下降沿时，接收方会将自己的位时序计时周期拨到SS段的位置，与发送方的位时序计时周期保持同步
  • 硬同步只在帧的第一个下降沿（SOF下降沿）有效
  • 经过硬同步后，若发送方和接收方的时钟没有误差，则后续所有数据位的采样点必然都会对齐数据位中心附近
    image.png

再同步

  • 若发送方或接收方的时钟有误差，随着误差积累，数据位边沿逐渐偏离SS段，则此时接收方根据再同步补偿宽度值（SJW）通过加长PBS1段，或缩短PBS2段，以调整同步
  • 再同步可以发生在第一个下降沿之后的每个数据位跳变边沿
    image.png

波特率计算

image.png

仲裁

CAN总线只有一对差分信号线，同一时间只能有一个设备操作总线发送数据，若多个设备同时有发送需求，该如何分配总线资源？

先到先得

  • 若当前已经有设备正在操作总线发送数据帧/遥控帧，则其他任何设备不能再同时发送数据帧/遥控帧（可以发送错误帧/过载帧破坏当前数据）
  • 任何设备检测到连续11个隐性电平，即认为总线空闲，只有在总线空闲时，设备才能发送数据帧/遥控帧
  • 一旦有设备正在发送数据帧/遥控帧，总线就会变为活跃状态，必然不会出现连续11个隐性电平，其他设备自然也不会破坏当前发送
  • 若总线活跃状态其他设备有发送需求，则需要等待总线变为空闲，才能执行发送需求

非破坏性仲裁

若多个设备的发送需求同时到来或因等待而同时到来，则CAN总线协议会根据ID号（仲裁段）进行非破坏性仲裁，ID号小的（优先级高）取到总线控制权，ID号大的（优先级低）仲裁失利后将转入接收状态，等待下一次总线空闲时再尝试发送
实现非破坏性仲裁需要两个要求：

  • 线与特性：总线上任何一个设备发送显性电平0时，总线就会呈现显性电平0状态，只有当所有设备都发送隐性电平1时，总线才呈现隐性电平1状态，即：0 & X & X = 0，1 & 1 & 1 = 1
  • 回读机制：每个设备发出一个数据位后，都会读回总线当前的电平状态，以确认自己发出的电平是否被真实地发送出去了，根据线与特性，发出0读回必然是0，发出1读回不一定是1
    因此 通过线与逻辑和回读机制就可以实现非破坏性仲裁 因为一旦回读失败 就表明自己的数据被破坏了 继续再发也没有意义 就可以等待下一次总线空闲时再发
# 嵌入式
嵌入式

添加新评论